El documento presenta la unidad 1 de operaciones unitarias y procesos industriales sobre balance de masa. Explica conceptos clave como balance de masa en sistemas sin reacción química, tipos de flujos, configuraciones de flujo y tipos de balance. El objetivo es que los estudiantes reconozcan y expliquen el análisis y balance de materia en varios sistemas sin reacción química.

1. Operaciones Unitarias y Procesos
Industriales
Unidad 1:
Balance de Masa en
procesos sin reacción química

2. Logr
o
Al terminar la sesión, el alumno reconoce y explica el análisis
y balance de materia a varios sistemas que incluyen
volúmenes de control de flujo estacionario y no estacionario,
en procesos sin reacción química.
Importancia
• La materia y Energía se encuentran en constante estado de
flujo en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es
aprovechar esta tendencia para obtener bienestar, alimentos,
fuentes energéticas y otras cosas.
• Los balances de materia son la herramienta con la que se
analiza la estabilidad de un proceso y determinar como se
distribuyen los componentes en los sistemas o entre los
sistemas en contacto directo

3. Contenido
general
• Introducción al balance de materia.
• Balance de masa en sistemas sin
reacción química.
• Balance de masa en sistemas con
reacción química.
• Análisis de proceso de flujo estacionario
y no estacionario.

4. Introducción al balance de
materia
• Introducción
• Procesos Industriales
• Operaciones unitarias
• Procesos Unitarios
• Clasificación de procesos

5. en
Introducció
n
Este módulo está orientado a exponer las bases de
los balances de materia y su utilidad para el análisis
de los procesos naturales e industriales que suelen
presentarse en los estudios de las plantas
industriales.
No se trata de cubrir las técnicas de resolución de
problemas que suelen abordarse en un curso formal
de este tema, sino de identificar los aspectos clave
en los que se basan dichos balances.

6. en
Procesos
Industriales
Un proceso es comprendido como todo
desarrollo sistemático que conlleva una serie
de pasos o actividades ordenados u
organizados, que se efectúan o suceden de
forma alternativa o simultánea, los cuales se
encuentran estrechamente relacionados entre
sí y cuyo propósito es llegar a un resultado
preciso.

7. en
OPERACIONES UNITARIAS
Son las operaciones en donde los cambios son físicos,
ósea afectan a la materia sin modificar sus propiedades
químicas; ejemplo: transmisión de calor, flujo de fluidos,
destilación, filtración, extracción, secado, etc.
PROCESOS UNITARIOS
Son las operaciones donde los cambios implican
transformaciones químicas de la materia, que ocurren en el
reactor o reacciones químicas; ejemplo: combustión,
oxidación, nitración, polimerización, reducción,
esterificación, etc.
División de los Procesos
Industriales

8. en
Clasificación de las
Operaciones
Unitarias
Con base en
transferencia de
masa
Destilación: Separación de los componentes de una
Con base en
transferencia de
calor
Con base en
transferencia de
cantidad de
movimiento
mezcla liquida por vaporización de la misma.
Filtración: Separación de las partículas sólidas en
suspensión en un fluido, atreves de un medio filtrante.
Trituración: Se usa pare reducir sólidos duros a tamaños
menos grandes y más manejables.
Cristalización : Proceso físico por el cual un cuerpo
adquiere la estructura cristalina.
Disolución: Mezcla de dos o mas componentes cuyas
propiedades varían al ser modificadas sus proporciones.
Extracción: Operación química básica de separación de
sustancias disueltas en liquidas.
Dilución: Se basa en la adición de una sustancia soluble
en el fluido.
Decantación: Es la separación por inclinación de un liquido
de un sólido.
Evaporización: Paso de una sustancia del estado liquido al
de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición.
Secado: Operación de separar un liquido que acompaña a
un sólido.
Flujo de fluidos: Traslado de fluidos de un lado a otro
Centrifugación: separación de líquidos mezclados o de
sólidas en suspensión en liquido usa fuerza centrifuga.
Agitación: consiste en crear movimientos turbulentos en un
fluido mediante dispositivos mecánicos (agitadores).
Precipitación: Aparición de sólidos de una disolución se
produce si la concentración de soluto supera lo máximo.

9. en
Clasificación de los
Procesos Unitarios
Primarios
Secundarios
Oxidación: Proceso una especie química pierde electrones
contra la ganancia por otra sustancia.
Combustión: Reacción química entre una sustancia
comburente y otra combustible.
Fermentación: Reacciones de una sustancia orgánica se
transforma en otra por microorganismos.
Hidrogenación: Reacción entre el hidrogeno molecular y un
compuesto orgánico uso de catalizadores.
Alogenación: Consiste en insertar un átomo de halógeno en
una cadena de compuesto orgánico.
Polimerización: Proceso formación productos de alto peso
molecuar a partir de materias de bajo peso molar.
Reducción: Proceso caracterizado por la aceptación de
electrones de una molécula, átomo o ion.
Saponificación: Proceso por el cual los esteres se desdoblan en
ácidos y alcohol por acción del agua.
Sulfhidración: Proceso de adicionar un reactivo que contenga
sulfuro de hidrogeno.
Caustificación: Proceso que implica al carbonato sódico con cal
y la producción electrolítica de soda cáustica.
Sulfonización: Introducción del radical sulfúrico en un
compuesto orgánico.
Electrolisis: Descomponer sustancias que se están disueltas o
fundidas al paso de la corriente eléctrica.
Nitración: Introducción del radical nitro (NO ) en un compuesto
orgánico.
Alquiolación: Ingreso de cadena alifática en compuesto cíclico
Ing. Roger De La R
p
o
o
s
a
rsV
iucse
n
tit
te
uciónde hidrogeno por radical alquino.

10. Clasificación de los
Procesos
losflujosde
lascorrientes
que
intervienenen
el proceso
cambiosde
lasvariables
deproceso,
conrelación
al tiempo

11. Balance de Masa en sistemas sin reacción
química
• Introducción al balance de materia.
• Balance de Materia sin reacción química.

12. Introducción al Balance de
Materia
Los balances de materia y energía
(BMyE) son una de las herramientas
más importantes con las que cuenta
la ingeniería de procesos y se utilizan
para contabilizar los flujos de materia
y energía entre un determinado
proceso ind
e
usn
trial y los alrededores o
entre las distintas operaciones que lo
integran.

13. en
Principios a recordar

14. Calcule:
- Composición en fracción molar.
- Composición en porcentaje en peso.
- Volumen que ocupan 100 kilogramos de gas a
21 °C y 0,97 atmósferas de presión.
- Densidad del gas a 21 °C y 0,97 atmósferas, en
gramos/litro.
Ejemplo
práctico
El gas natural de un pozo tiene la siguiente
composición molar: 60% de metano (CH4), 16%
de etano (C2H6), 10 % de propano (C3H8) y 14%
de butano (C4H10).

15. Solución:
En 100 moles de gas hay: 60 moles de metano
16 moles de etano
10 moles de propano
14 moles de butano
100 moles totales
Ing.
Roger
De
La
Rosa
Vicente
a) Fracciones molares:
Y metano = = 0.60
Y etano = 0.16
Y propano = = 0.10
Y butano = 0.14
60 moles metano
100 moles totales
= 16 moles etano
100 moles totales
10 moles propano
100 moles totales
= 14 moles butano
100 moles totales
b) Composición en peso: Pesos moleculares:
P.M. Metano (CH4) = P.A.(C) + 4 P.A.(H) = 12 + 4 = 16 g/mol
P.M. etano (C2H6) = 2 P.A.(C) + 6 P.A.(H) = 2x12 +6 = 30 g/mol
P
.M. propano (C3H8) = 3 P
.A.(C) +8 P
.A.(H) = 3x12 +8 = 44 g/mol
P.M. butano (C4H10) = 4 P.A.(C) + 10 P.A.(H) = 4x12 +10 = 58 g/mol
Multiplicando por los pesos moleculares se obtiene las cantidades en
masa:
Metano  60 moles x 16 g/mol =
Etano  16 moles x 30 g/mol
Propano  10 moles x 44 g/mol
Butano  14 moles x 58 g/mol =
960 gramos de metano
= 480 gramos de etano
= 440 gramos de propano
812 gramos de butano
Masa total = 2,692 gramos
Porcentaje en peso de cada componente = masa componente
masa total x 100%
Metano  960 g / 2692 g x 100% = 35.66% de metano
Etano  480 g / 2692 g x 100% = 17.83% de etano
Propano  440 g / 2692 g x 100% = 16.34% de propano
Butano  812 g / 2692 g x 100%
Suma total
=
=
30.16% de butano
100.00%

16. en
c. Para calcular el volumen se necesita una ecuación de estado. Como
la presión es cercana a la presión atmosférica, y la temperatura es
baja, usaremos la ecuación de gas ideal:
P V = n R T
P = 0,97 atmósferas
R = 0,082 litros atmósfera/mol K
T = 21 + 273,15 = 294,15 K
P = presión
R = constante universal de los gases
T = temperatura absoluta
V = volumen
n = número de moles n = 100 kg/P.M. medio
= 100.000 g/P.M. medio
Peso molecular medio = 16x0.6 + 30x0.16 + 44x0.1 + 58x0.14
= 26.92 g/mol
Número de moles  n = 100,000 g = 3,714.7 moles
26.92 g/mol
= 3,714.7 moles x 0.082 lt.atm/mol.K x 294.15 K
0.97 atm
Volumen  V = nRT
P
V = 92,370.8 litros
d. Densidad del gas ()   = masa/volumen
 = 100,000 g / 92,370.8 lts = 1.08 g/lt

17. 1. Una solución tiene la siguiente composición molar: 32% de
pentano (C5H12), 43% de hexano (C6H14) y 25% de
heptano (C7H16). Calcule le porcentaje en peso de cada
componente.
(Rpta.: pentano = 27.1%; hexano = 43.5%; heptano = 29.4%)
2. Si 15 kg de dimetilcetona (P
.M. = 58,08, r = 0,792 g/cm3)
se mezclan con 30 kg de agua (r = 0,98 g/cm3) a 20 °C.
Calcule la composición de la mezcla, expresada en:
Fracción molar
Porcentaje en volumen
Molaridad
Molalidad
(Rpta.: 0,134 dimetilcetona)
(Rpta.: 38,2 % dimetilcetona)
(Rpta.: 5,21 mol/litro)
(Rpta.: 8,61 mol soluto/kg solvente)
Ejercicios
propuesto

18. Balance de Materia sin reacción
química
Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente
hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía
por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los procesos
industriales al no abordarse el caso de los reactores nucleares, no existe
transformación de materia en energía o viceversa, con lo que la forma general del
balance de materia total a un sistema, será:
en

19. en
Tipos de Flujos en los
Procesos
Según su
Contenido
• Transporte
• Separación
• Mezclado
Según su
configuración
•De Recirculación
•Flujo con Purga
•Flujo en derivación
Según su
arreglo
•Contracorriente
•Paralelo o Corriente
•Flujos Cruzados

20. Configuraciones de
flujo
Flujos de
recirculación
e
Flun
jos con
purga
Flujos en
derivación o
“by pass”

21. en
Según su
arreglo
Flujo en
contracorriente
B.G.  E1 + E2 = S1 +S2
Flujos cruzados
B.G.  E1 + E2 + E3 = S1 + S3 + S4
Flujo en
paralelo o en
corriente B.G.  E1 + E2 = S1 +S2

22. en
Tipos de
Balance
• indica lo que ocurre en un sistema en un momento determinado. Por lo
general este tipo de balance se aplica a los sistemas continuos. Si el sistema
esta en régimen estacionario, un balance diferencial dará en cualquier
instante el mismo resultado. Si el sistema es transitorio, este balance
generará un conjunto de ecuaciones diferenciales respecto del tiempo que
habrá que resolver.
balance
diferencial
• indica lo que le ocurre a un sistema durante dos instantes determinados. Solo
informa sobre el comportamiento del sistema durante el intervalo
comprendido entre esos dos momentos. Generalmente, los balances
integrales se aplican a procesos intermitentes (por lotes), los cuales tienen
condiciones de inicio y finalización bien definidas.
balance
integral

23. Universidad
Tecnológica
del Perú
Balance por
componentes
En el proceso de la figura, la
materia prima F1 se
convierte en los productos
F2 y F6. Además, una parte
de F6 se recicla y vuelve a
entrar en la transformación
acompañando a F1,
formando F5, y la otra sale
del proceso como F2.

25. GRACIAS
HASTALA PRÓXIMACLASE

26. Operaciones Unitarias y Procesos
Industriales
Unidad 1: Balance de Masa
S01: Balance de Masa en procesos sin reacción química
Unidad 1
Semana 1

27. Imagen
Grados de Libertad
Un sistema que tiene N componentes permite plantear N ecuaciones independientes.
Además, si el proceso está formado por S etapas, es posible escribir S sistemas de
ecuaciones independientes. Así, el total de relaciones de balance de materia que
podrían plantearse, serán como máximo N – S.
GL = N° variables (flujos, composiciones, temperaturas)
- N° datos (flujos, composiciones, temperaturas)
- N° ecuaciones de balance de materia y energía
- N° datos y/o ecuaciones adicionales
GL > 0  problema indeterminado (se debe buscar más datos o relaciones adicionales,
o darse una base de cálculo hipotética)
GL < 0  se escoge las ecuaciones a usar y se descarta las restantes, porque
probablemente serán inconsistentes.
GL = 0  el sistema tiene solución y el problema está especificado correctamente.
En general los sistemas se resuelven simultáneamente; de no ser así, se resuelven
secuencialmente, partiendo por el sistema con el menor número de incógnitas.

28. Balances de masa sin reacción
química
En esta parte se aborda la resolución de problemas de balance de
materias en procesos en estado estacionario no reactivos. Es decir,
Ing. Roger De La Rosa Vicente
no se consideran procesos donde ocurran reacciones químicas
de ninguna índole. La ecuación de balance de materia que se aplica
para este caso es:
Entrada = salida

29. Balance de materia en procesos de una sola
unidad
En estos procesos de unidades únicas es sencillo plantear el problema.
Como hay una sola unidad, el número de ecuaciones es igual al número
de componentes (una por cada componente), mas una ecuación de
balance global (por unidad).

30. Una corriente de nitrógeno gaseoso N2 de 280 kg/h se mezcla
con una corriente de hidrogeno gaseosos H2, en una
mezcladora. A la salida de este se obtiene una corriente de 40
Kg mol de nitrógeno e hidrogeno por hora.
Determinar las moles de hidrogeno que deben suministrarse
por hora y el fraccionamiento de la corriente de mezcla.
Ejemplo
práctico
Ing. Roger De La Rosa Vicente

31. B. Global : A + B = C  B = C – A
B = 40 – 10 = 30 kg mol/hr
B. Componentes:
N2  A . YAN2 = C . YCN2  10 x 1 = 40 x YCN2
 YCN2 = 10 / 40 = 0.25 = 25%
H2  YCH2 = 1 - YCN2  YCH2 = 1 – 0.25 = 0.75 = 75%
Solución:
= 10 kg mol
¿? # moles N2 en A = 280 kg . 1 kg mol N2
28 kg N2
Mezclador
A  N2  280 kg/h = 10 kg mol/h
Y A,N2 = 100%
B  H2  ¿? 30 kg mol/h
Y B,H2 = 100%
C  H2N2  40 kg mol/h
Y C,N2 = ¿?
Y C,H2 = ¿? = 1 - Y C,N2

32. Ejemplo
práctico
 Una mezcla líquida, de composición molar 20% N2, 30% CO2 y 50% O2, se
separa en una columna de destilación, dando un flujo de cabeza (N2 y CO2) y
un flujo de cola (2,5% N2, 35% CO2, y O2).
 Este flujo alimenta una segunda columna destiladora, dando un producto
de cabeza con 8% N2, 72% CO2 y 20% O2, y un producto de cola (CO2 y O2).
 Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera columna, calcule los
flujos y composiciones restantes.

33. Imagen
Calculo del grado de libertad

36. Imagen

37. ¿Cuántos kg de agua se deben derivar al saturador por cada
100 kg de agua que entran al proceso?
Ejercicio
propuesto
Se bombea agua a alta presión a un proceso. Se desea añadir
sal hasta que su concentración sea 4% en masa. Por la
dificultad de introducir un solido a un liquido en alta presión,
se bobea el agua por un saturador donde esta la sal. Pero de
allí se debe mezclar luego con agua pura para ajustar la
concentración al valor deseado. Si sale del saturador a 17%.
Ing. Roger De La Rosa Vicente

38. Corriente N° 2: 90% en peso de HNO3, 10% H2O.
Corriente N° 3: 95% H2SO4 y 5% H2O.
Calcular la cantidad de cada una de las corrientes
necesarias para obtener 58,900 kg/h de la mezcla acida.
Ejercicio
propuesto
Una solución compuesta por una mezcla de ácidos
contiene 65% en peso de H2SO4, 20% en peso de HNO3 y
el resto de agua, se produce a partir de mezclar tres
corrientes:
Corriente N° 1: 10% en peso de HNO3, 60% H2SO4 y 30%
H2O.

40. GRACIAS
HASTA LA PRÓXIMA CLASE